地磁場是怎樣形成的? 地磁南北極為什麼會發生倒轉? 哪些因素影響或控制著倒轉的過程和頻率? 地磁倒轉可以預報嗎? 來自地磁觀測、古地磁學、發電機理論、數值模擬和實驗的研究進展將為我們逐步揭開地磁倒轉的神秘面紗。
自20世紀初法國和日本地球物理學家Brunhes和Matuyama發現並證實了地磁倒轉現象以來, 隨著古地磁和空間地磁探測技術的發展, 以及地球發電機(The geodynamo)數值模擬獲得的巨大成功, 對地球磁場及其倒轉的認識已經取得了顯著的進步。
迄今發現最早的地磁記錄在35~40億年前, 表明地磁場在地球形成早期就已存在(地球的年齡約為45億年)。在地磁場形成之後的漫長地質年代裡, 每隔10~100萬年便會發生一次完全的南北極倒轉, 周期不固定。在發生極性倒轉時, 地磁強度將顯著降低。調查發現, 最近2000年來地磁強度一直在減弱, 現今地磁場的強度較1840年已經下降了10%(不間斷地磁記錄自1840年開始), 平均每百年下降5%。2013年底, 歐洲太空局發射了新一代地磁衛星Swarm(共3顆, 組成星座), 其最新觀測結果顯示, 地磁強度正在加速下降, 速度為以前測算的10倍。這是否預示著新一輪地磁倒轉即將發生? 它對我們的生活會產生什麼影響? 這些問題不僅是科學研究的重要問題, 而且也日益成為公眾關注的焦點。
要知曉地磁倒轉的原因, 需要從根本上了解地磁場的形成和演化機制。但地磁場起源於地表 2900 km以下的地球外核(呈液態, 又稱液核), 溫度和壓強極高, 對該處物質的物理、化學性質和過程, 熱狀態和邊界條件等情況還知之不詳。 雖然現在數值模擬已經可以在計算機中再現地磁場的倒轉, 但是模擬的近似程度和採用的參數遠未達到地球的真實情況, 因此很難說已確切知道地磁倒轉的原因, 不過最新的研究成果表明可能已經找到了揭開謎底的線索。
▌地磁場的時空特徵和形成機制
地磁場是極其複雜的, 為研究方便, 一般將地磁場分解為環型場(Toroidal)和極型場(Poloidal)。在地表觀測到的地磁僅為極型場部分, 經過地幔的耗散後, 能量只佔整個地磁場的1%, 而環型場被限制在地核內部, 無法直接觀測, 這給研究帶來了極大的困難。目前我們並不清楚環型場的強度, 推測應與極型場相當, 不可忽略。有研究認為, 地磁場如果要維持其穩定性, 環型場強度最高不能超過極型場的10倍。
在空間分布上, 現在的地磁極型場主要由一個偶極場構成——這是地磁場具有南北極的原因。而整個極型場的強度、傾角和偏角在地表並不隨磁緯、磁經規則地分布(磁極與地理極存在11°夾角)。以2015年地表的地磁場為例, 地磁強度在北美、西伯利亞和南極大陸附近達到極大值, 而在中太平洋和南美洲中部存在極小值。與地表相比, 核幔邊界處的極型場分布更不均勻, 顯示出更多的精細結構(因地幔對磁場有低通濾波作用), 局部極值多處出現, 雖仍以偶極場為主, 但南北半球都存在與背景磁場方向相反的局域異常, 這些空間分布特點都反映了外核磁流體運動的複雜性。核幔邊界處的極型場可通過模型(World Magnetic Model, WMM和International Geomagnetic Reference Field, IGRF)從地表觀測向下延拓得到, 並可在一定假設下求得液核頂部的流體運動速度 。
地磁場不僅空間分布不均勻, 而且隨著時間在不斷演化, 按時間尺度可分為慢速變化和快速變化。 慢速變化(又稱長期變化)包括地磁在穩定期的強度改變、磁極在地表的移動和磁場西向漂移等現象; 快速變化則主要表現為地磁倒轉和漂移( 指倒轉後快速恢復為原極性, 在地磁場長時間的穩定期內, 極性漂移會多次出現)。在地磁倒轉時, 地磁強度將大幅度減小, 並且結構變得更為複雜(圖1)。距離現在最近的一次地磁倒轉發生在78萬年前, 稱為松山-布容倒轉。一般認為地磁倒轉的過程可以在幾千年的時間內完成, 然而Sagnotti等在對松山-布容倒轉的古地磁研究中發現, 完成該倒轉過程的時間居然小於100年(速度大於2/a), 這意味著在一個人的有生之年便可見證地磁倒轉這種全球性的宏偉過程。這個結果極大地挑戰了地球發電機模型, 至今爭議不斷。
圖1 Glatzmaier-Roberts地球發電機模型三維數值模擬展示的地磁場結構和地磁場倒轉過程
地磁場由地球外核的磁流體發電機過程所產生, 這個觀點最早由英國科學家Larmor於1919年首次提出, 其基本原理是： 地球外核的導電鐵流體受熱浮力和組分浮力等因素的驅動, 產生對流運動; 根據電磁感應理論, 導電流體在磁場中的運動將產生電流, 該電流繼而激發產生磁場; 由磁場引起的電磁力反過來又影響著流體的運動, 從而形成一個自維持的「發電機」, 稱為地球發電機。天體產生和維持發電機運轉必須滿足3個條件： (1) 內部存在大體積的導電流體; (2) 驅動流體運動的能量; (3) 較快的自轉速度。 這3個條件地球都滿足。由於地球發電機模型能較好地模擬出地磁場的空間形態(偶極場為主, 南北半球分布的局部極值區域等), 並能再現地磁場隨機性的倒轉和極性漂移, 以及地磁場西向漂移等主要時變特徵, 因此已被大多數科學家所接受。
▌地磁倒轉的原因
地球發電機模型由一套磁流體動力學方程組描述, 包含運動方程、溫度或組分方程、磁感應方程、連續性方程、狀態方程以及磁場無散方程, 並配以相應的邊界條件和初始條件。在這些方程中, 流體的運動速度、溫度、磁場強度等變量互相耦合, 科裡奧利力、壓力、浮力、洛倫茲力和黏滯力相互作用, 表現出強烈的非線性, 理論研究十分困難。20世紀90年代, 大規模並行計算機技術的發展使得地球發電機模型的三維數值模擬成為可能(二維流動不能形成自維持發電機), Glatzmaier和Roberts在他們的全三維、自維持發電機數值模型中首次再現了磁場倒轉、西向漂移等地磁變化現象, 並發現地磁倒轉是在磁流體運動過程中自發產生的。隨後, 來自世界各地的研究團體使用不同的數值方法、近似條件、參數空間和邊界條件等, 建立了各自的地球發電機數值模型。在未對流體速度場、磁場、邊界條件等因素進行特殊設定的情況下, 這些數值模擬多次重複了地磁場自發倒轉的現象。不僅如此, 對旋轉容器中導電流體進行的實驗也發現了這種自發的磁場倒轉。因此, 許多地球物理學家認為, 地磁倒轉是液核磁流體動力學過程非線性不穩定性導致的自發行為, 並不需要外界因素觸發, 與太陽磁場每11年自發倒轉一次類似。
但是問題還沒有完全解決。隨著研究的深入, Glatzmaier等發現核幔邊界熱流的分布會影響地磁場的強度和倒轉頻率; Biggin等經過統計發現, 雖然地磁倒轉看似隨機, 但在非常長的時間尺度上, 地磁倒轉會受到地幔對流的控制, 因為地幔對流會改變核幔邊界的熱流, 從而影響液核的磁流體運動, 進而改變磁場。地磁倒轉時, 虛擬地磁極的移動路徑更青睞美洲和東亞地區, 這種情況也說明下地幔的熱狀態對地磁場的控制作用, 因為這兩個地區正位於太平洋板塊俯衝帶, 對應著下地幔的地震波高速區(低溫異常區)。Amit和Olson則發現下地幔超級地幔柱的生成會引發地磁場倒轉, 原因是超級地幔柱的生成增強了核幔邊界的熱流及其分布不均勻性;當超級地幔柱消亡時, 相反的效應將阻止地磁倒轉的發生。另外, Chan等也發現, 下地幔電導率分布的不均勻性強烈地影響著核幔邊界的徑向磁場結構, 下地幔電導層增厚導致的額外磁耗散將可以終止液核的發電機過程。這些研究引致了一個新的問題——難道地磁倒轉有的是自發產生的, 有的則是被觸發的? 內外因的主導作用, 需要更深入的研究進行確認。
Pétrélis等研究了長時間尺度上板塊運動與地磁倒轉的關係, 發現當大陸板塊在赤道南北呈現更多不對稱性時, 地磁倒轉的頻率高, 原因應該是板塊分布的不對稱導致了地幔對流結構的不對稱, 從而影響液核的發電機過程, 原理與上述核幔邊界熱流變化引起地磁場變動的理由是相容的。
Yoshida和Hamano以及Miyagoshi和Hamano認為, 地球自轉速度(日長)的改變也許是另一個觸發地磁倒轉的原因。他們發現地球自轉速度變化可以影響地磁場的西向漂移, 改變地磁場的強度, 並且地磁場強度的相對變化幅度比自轉速度變化更大。Pacca等也證實了過去5.1億年以來地球自轉速度變化與地磁倒轉頻率存在相關性。不過地球自轉速度變化或許是地磁變化的結果, 而不是原因, 因為地磁場變化可以通過地核與地幔的電磁耦合, 引起地幔角動量的改變, 導致地球在10年尺度上的日長異常。
關於地磁倒轉的原因還存在著一些非主流觀點, 其中外星體撞擊假說、全球氣候突變假說和雪崩假說具有代表性。這些假說由於缺乏足夠證據, 或者已被證偽, 尚不具有重要的科學價值。比如Schneider等就已證明了松山-布容地磁倒轉並不是撞擊事件或全球氣候變化所致。
還有其他一些因素也影響著液核的磁流體發電機過程, 因而也影響著地磁場的倒轉, 這些因素包括核幔邊界和內外核邊界的地形、核幔和內外核的較差自轉、內核生長過程、內核與下地幔電導率分布、引潮力和進動驅動的對流等, 對這些因素的研究將使我們更加深入地了解地磁場的變化規律和地磁倒轉的原因。
▌展望
地磁場的變化透露了來自地球內部和地外空間的信息, 這提示我們, 研究地磁場或者行星磁場應該從全球乃至太陽系的角度綜合考慮。可以將液核發電機這種快速過程, 放在慢速的地幔對流和板塊運動的大背景下進行考察, 以增進對地磁場演化的理解。另外, 研究的進步不僅依賴於地磁學的發展, 也依賴於其他學科(或分支)的發展, 比如高溫高壓實驗和第一原理計算可以約束地核環境下物質的物性參數範圍; 地震學方法可以確定核幔邊界和內外核邊界的精細地形; 超級計算機軟硬體的發展可以提高數值模擬的解析度和計算速度;比較行星學的研究也為理解地球磁場起源和演化提供了新的途徑。
未來的研究目標是建立一個與真實地球非常接近的地磁場演化模型, 並能預報地磁的倒轉, 這也許在不遠的將來能夠實現。不過我們也不能期望太高, 因為對地磁倒轉的預報只能是短期的(小於100年), 要預報具有超長時間間隔的下一次倒轉則根本不可能, 這是由地球發電機過程的強非線性決定的。
文/李力剛
本文來自《科學通報》